物聯(lián)網(wǎng)解決方案的典型架構(gòu)通常比大多數(shù)企業(yè)系統(tǒng)的架構(gòu)復(fù)雜得多。增加物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)復(fù)雜性的一個(gè)主要因素是,數(shù)據(jù)中心中的后端服務(wù)實(shí)際上只是更大的物聯(lián)網(wǎng)圖景的一部分。使用物聯(lián)網(wǎng)解決方案,我們必須處理大量在現(xiàn)場工作的設(shè)備。由于這些設(shè)備的性質(zhì)與Web、臺式機(jī)甚至移動客戶機(jī)非常不同,因此我們需要一個(gè)中間體系結(jié)構(gòu),充當(dāng)現(xiàn)場設(shè)備世界和企業(yè)數(shù)據(jù)中心之間的代理。我們需要的是物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。
為什么需要IoT網(wǎng)關(guān)
您現(xiàn)在可能想知道:將網(wǎng)關(guān)引入您的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)背后的主要原因是什么?讓我通過討論網(wǎng)關(guān)架構(gòu)如何運(yùn)作的一些最重要的方面來闡明這個(gè)問題。
首先,傳感器在網(wǎng)絡(luò)連接方面通常具有非常有限的能力。 您的傳感器可能會使用藍(lán)牙低功耗(BLE),就像市場上的大多數(shù)信標(biāo)一樣; 您的某些傳感器還可能使用ZigBee協(xié)議提供連接。 在局域網(wǎng)(LAN),家庭局域網(wǎng)(HAN)或個(gè)人局域網(wǎng)(PAN)中還可以找到許多其他協(xié)議。 所有這些協(xié)議都有一個(gè)共同點(diǎn):它們無法直接連接到廣域網(wǎng)(WAN)或Internet等大型網(wǎng)絡(luò)。 您需要一個(gè)網(wǎng)關(guān),通過使用WiFi,GSM或其他類型的連接,可以為您的傳感器提供與外部網(wǎng)絡(luò)的單點(diǎn)聯(lián)系。
網(wǎng)關(guān)不僅僅是將數(shù)據(jù)從傳感器轉(zhuǎn)發(fā)到后端服務(wù)的轉(zhuǎn)儲代理。將傳感器收集到的所有信息發(fā)送到數(shù)據(jù)中心在性能和網(wǎng)絡(luò)利用率方面都是非常無效的。在將信息發(fā)送到數(shù)據(jù)中心之前,需要一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)對現(xiàn)場信息進(jìn)行預(yù)處理。這種預(yù)處理包括消息過濾和聚合。
網(wǎng)關(guān)還應(yīng)充當(dāng)單個(gè)訪問點(diǎn),用于監(jiān)視操作字段的選定區(qū)域。不需要使用監(jiān)視軟件連接到每個(gè)傳感器;只監(jiān)視網(wǎng)關(guān)更容易,網(wǎng)關(guān)反過來負(fù)責(zé)從傳感器收集所有必要的數(shù)據(jù)。
體系結(jié)構(gòu)概述
下面的網(wǎng)關(guān)體系結(jié)構(gòu)圖是最常見的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),其中網(wǎng)關(guān)本身沒有配備傳感器。安裝在設(shè)備上的網(wǎng)關(guān)軟件負(fù)責(zé)從傳感器收集數(shù)據(jù),對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,并將結(jié)果發(fā)送到數(shù)據(jù)中心。
請記住,在此傳感器體系結(jié)構(gòu)上有可能發(fā)生變化,其中一些傳感器位于網(wǎng)關(guān)設(shè)備上,它可能存在于網(wǎng)關(guān)的嵌入式傳感器可以包括GPS單元或使用GPIO接口連接到網(wǎng)關(guān)的溫度傳感器等選項(xiàng)。
網(wǎng)關(guān)軟件
軟件應(yīng)用程序是網(wǎng)關(guān)的核心。網(wǎng)關(guān)軟件負(fù)責(zé)收集來自傳感器的信息,并將其適當(dāng)存儲,直到可以對其進(jìn)行預(yù)處理和發(fā)送到數(shù)據(jù)中心。網(wǎng)關(guān)軟件決定在給定處理階段的數(shù)據(jù)是臨時(shí)的、持久的保存在內(nèi)存中的。
網(wǎng)關(guān)軟件的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮到故障和災(zāi)難恢復(fù)。由于網(wǎng)關(guān)設(shè)備通常在現(xiàn)場操作,因此您應(yīng)該為不理想的工作條件做好準(zhǔn)備。例如,應(yīng)為斷電或可能導(dǎo)致網(wǎng)關(guān)處理中斷的其他操作準(zhǔn)備網(wǎng)關(guān)軟件。網(wǎng)關(guān)軟件應(yīng)在電源恢復(fù)后立即自動啟動,并從中斷點(diǎn)繼續(xù)工作。
網(wǎng)關(guān)軟件還應(yīng)該足夠智能,能夠正確處理系統(tǒng)日志記錄。它必須在存儲在設(shè)備上的日志條目數(shù)和發(fā)送到數(shù)據(jù)中心的日志條目數(shù)之間找到正確的平衡。
軟件安裝和更新
網(wǎng)關(guān)軟件如何進(jìn)入設(shè)備?這個(gè)問題有三種主要的解決方法。
第一種方法是在網(wǎng)關(guān)磁盤(或存儲卡)上預(yù)安裝軟件。這種方法稱為工廠引導(dǎo)程序。正如您可能猜到的,如果您的解決方案包含大量網(wǎng)關(guān),則此技術(shù)無法很好地?cái)U(kuò)展。
第二種方法是服務(wù)器啟動的引導(dǎo)。在此模式下,中央軟件管理服務(wù)器與網(wǎng)關(guān)設(shè)備通信,并向其部署正確版本的軟件。這種方法比工廠引導(dǎo)擴(kuò)展得更好,但是仍然需要在服務(wù)器端啟動部署操作。
第三種方法是客戶端啟動的引導(dǎo)程序。此模式假定網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)連接到中央存儲庫服務(wù)器并下載適當(dāng)版本的軟件。在這種情況下,網(wǎng)關(guān)需要安裝輕量級引導(dǎo)軟件,以便它可以與軟件管理服務(wù)器通信。此方法是最具可擴(kuò)展性的方法
物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的一個(gè)非常重要的特性是能夠通過無線方式下載更新。 將網(wǎng)關(guān)軟件安裝到設(shè)備上并將其交付到現(xiàn)場后,您在網(wǎng)關(guān)軟件維護(hù)方面的功能非常有限。 從安全角度來看,通過無線方式下載軟件更新的能力尤其重要,因?yàn)樗赡軙绊戧P(guān)鍵安全修復(fù)程序的交付時(shí)間。因?yàn)樗恍枰獙Σ渴鸩僮鬟M(jìn)行任何集中協(xié)調(diào)。每個(gè)網(wǎng)關(guān)設(shè)備在打開電源后立即下載軟件。
傳感器消費(fèi)者
如果軟件應(yīng)用程序是網(wǎng)關(guān)的核心,那么傳感器就是網(wǎng)關(guān)的眼睛和耳朵。傳感器是可以測量現(xiàn)實(shí)世界某些方面的小型硬件設(shè)備。傳感器收集的常見數(shù)據(jù)類型有溫度、GPS坐標(biāo)、濕度、氣壓等。
網(wǎng)關(guān)從傳感器收集的消息通常很小。 例如,傳感器測量的溫度的當(dāng)前值僅為十進(jìn)制數(shù)。 GPS坐標(biāo)是兩個(gè)十進(jìn)制數(shù)字,代表經(jīng)度和緯度。 這是一個(gè)需要記住的重要事項(xiàng):網(wǎng)關(guān)對大量的小消息進(jìn)行操作。
雖然傳感器本身可以經(jīng)常生成消息,但重要的是預(yù)測我們真正需要從傳感器收集多少消息。例如,我們可以每毫秒讀取一個(gè)傳感器的溫度,但在測量溫度變化時(shí)我們真的需要這種精度嗎?在大多數(shù)情況下,每秒讀取傳感器值幾次就足夠了,因?yàn)槲覀儗ΩL時(shí)間內(nèi)的度量標(biāo)準(zhǔn)更感興趣。網(wǎng)關(guān)軟件通常定期輪詢傳感器數(shù)據(jù)。良好的網(wǎng)關(guān)軟件允許您輕松配置每個(gè)傳感器的輪詢間隔。您絕對不希望將不必要的傳感器數(shù)據(jù)放入網(wǎng)關(guān),因?yàn)檫^時(shí)的消息會占用受限網(wǎng)關(guān)設(shè)備的寶貴處理能力。
網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)傳輸
通常,網(wǎng)關(guān)通過GPS、WiFi或以太網(wǎng)連接到互聯(lián)網(wǎng)。有些網(wǎng)關(guān)還可以在GPS和WiFi模式下工作(例如,安裝在移動車輛上的網(wǎng)關(guān))。一般來說,非GPS連接優(yōu)先于發(fā)送數(shù)據(jù),因?yàn)樗恍枰顿M(fèi)的移動計(jì)劃。一些網(wǎng)關(guān)將不斷地連接到廉價(jià)的本地網(wǎng)絡(luò),但是那些使用GPS連接的網(wǎng)關(guān)在發(fā)送到數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)方面應(yīng)該非常保守。網(wǎng)關(guān)應(yīng)該對它收集的數(shù)據(jù)應(yīng)用業(yè)務(wù)邏輯,以了解哪些消息應(yīng)該通過昂貴的GPS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送,哪些數(shù)據(jù)可以緩存在設(shè)備上以進(jìn)行延遲的脫機(jī)處理。
總結(jié)
網(wǎng)關(guān)是每個(gè)物聯(lián)網(wǎng)解決方案的關(guān)鍵組件。在決定要購買哪種硬件作為網(wǎng)關(guān)平臺之前,請花一些時(shí)間分析消息和有效負(fù)載的數(shù)據(jù)格式,并嘗試在將數(shù)據(jù)從網(wǎng)關(guān)發(fā)送到數(shù)據(jù)中心之前過濾或聚合盡可能多的數(shù)據(jù)。此外,雖然為物聯(lián)網(wǎng)解決方案選擇合適的硬件非常重要,但您必須記住,選擇合適的網(wǎng)關(guān)軟件和管理基礎(chǔ)設(shè)施(如用于管理設(shè)備的LWM2M服務(wù)器)將對你的總維護(hù)成本產(chǎn)生重大影響。
責(zé)任編輯:Ct
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